模拟超大质量黑洞吸积盘

约翰·格林沃尔德

2016年12月，美国普林斯顿大学及美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在《物理评论快报》上撰文称，他们发现了一种严格的新方法，可以用来模拟为银河系中央超大质量黑洞提供能量的吸积盘。这一发现为模拟吸积盘助长黑洞的奇特过程奠定了基础。

吸积盘是围绕中心体转动的等离子云，这些等离子云逐渐螺旋式下降，被巨大天体吸积，比如黑洞。黑洞是恒星崩塌时聚集成的高强度引力场。这些崩塌的恒星周围是事件视界，在此边界以内的光无法逃离。吸积盘朝事件视界的方向转动时，为宇宙中最亮、最活跃的电磁辐射源提供能量。

银河系中央存在一个巨大黑洞。科学家研究发现，这个黑洞位于人马座，便将此黑洞命名为“人马座A*”。人马座A*的引力质量为太阳的400万倍。然而，围绕该黑洞的吸积盘的等离子体螺旋下降到此黑洞时辐射效率异常低，也就是说，等离子体释放出的辐射比人们想象的少得多。

“那么问题来了，为什么这个吸积盘的活动那么慢呢？”论文第一作者马修·昆茨提出了问题。马修是普林斯顿大学天体物理学方向的助理教授，也是普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家。

为了找到这个问题的答案，他和普林斯顿大学天体物理学教授詹姆斯·斯通及美国加州大学伯克利分校理论天体物理学学科负责人艾略特·奎塔特考虑了人马座A*超高温黑洞吸积盘的特性。他们认为，该吸积盘的等离子体不仅温度极高，而且异常稀薄，这导致它们之间不会发生碰撞。也就是说，等离子体内的质子和电子的运动轨道很少出现交叉的情况。

缺乏碰撞能力是人马座A*黑洞吸积盘区别于其他吸积盘的显著特征。其他吸积盘也环绕黑洞转动，辐射更多且更明亮，亮度越高吸积盘内的等离子体越容易碰撞。20世纪90年代，科学家曾将吸积盘的碰撞过程用许多公式呈现出来，这些公式将等离子体视为导电的液体。但是昆茨教授指出，“这种模式不适用于环绕超大黑洞的吸积盘”，因为这些公式无法描述内部不发生碰撞的黑洞吸积盘变得不稳定且呈螺旋形下降的过程。

为模拟人马座A*黑洞吸积盘的转动过程，昆茨教授及其合作者不再运用先前的公式（那些公式将相互碰撞的等离子体的运动视为一种宏观渗流）。相反，他们采用了一种物理学家称为“动力学”的方法，系统追踪这些不会相互碰撞的单个粒子的运行轨迹。为了实现这一方法，昆茨教授、斯通教授及哈佛大学讲师白雪宁共同设计了Pegasus计算机编码，并用它生成了一套方程式，能够更好地模拟超大质量黑洞吸积盘的运行状态。

这一动力学方法能够帮助天体物理学家理解环绕人马座A*的黑洞吸积盘发光很少的原因。同时，研究结果还有助于科学家理解其他一些重要的问题，比如等离子体在各种极端环境下的磁化程度，以及如何增强磁场。

昆茨教授指出：“与天体物理观测研究比较而言，这一新方法的目的是形成更多有关中心黑洞吸积盘辐射的预测模型。”天体物理观测研究在不同的天文台或观测台上进行，如钱德拉X 射线天文台以及即将建成的事件视界望远镜。前者是美国航空航天局1999年发射的一颗环绕地球轨道的卫星，后者是由9个位于地球不同地区的无线电天文望远镜组成的观测阵列。